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Diamantes de Chocolate
RESUMEN
El presente trabajo surge de dos inquietudes, la primera es conocer porqué un mismo material
puede encontrarse con distintas propiedades, particularmente el color, la dureza e incluso si
se trata de alimentos, hasta de sabor, aunque cabe aclarar que en este caso, ésta última
propiedad no se trató. La segunda inquietud se refiere a relacionar la primera con el estudio y
la comprensión del concepto de alotropía que presentan alguna sustancias como el carbono,
el cual lo podemos encontrar en diferentes presentaciones como, el grafito y el diamante que
son las más comunes.
El trabajo experimental que se realizó para resolver las dos inquietudes anteriores, se realizó
con una golosina como el chocolate, el cual sometido a diferentes condiciones de temperatura
de fusión y de solidificación se obtienen algunas diferentes propiedades en un mismo material,
tal es el caso del color, el brillo y la temperatura de fusión.
De acuerdo a los resultados de la actividad experimental me atrevo a decir que en las
condiciones que se trabajaron y de acuerdo a los resultados obtenidos, sí influye la manera en
la que se solidifica un material que se encuentra en estado líquido, ya que se puede favorecer
una organización periódica en la estructura interna y generar una mejor cristalización y por
tanto impactar en el valor de la temperatura de fusión, color, brillo y seguramente en la
dureza.
El trabajo hace una analogía con los alótropos, ya que el chocolate en este caso,
sometiéndolo a algunas variables como la temperatura modifico algunas de sus propiedades.
0
INTRODUCCIÓN
Marco teórico
ESTADOS DE LA MATERIA:
Al menos en principio, todas las sustancias pueden existir en los tres estados: sólido, líquido y
gaseoso. En un solido, las moléculas se mantienen juntas de manera ordenada, con escasa
libertad de movimiento. Las moléculas de un líquido, a diferencia del sólido, no están tan
juntas entre unas y otras y sin que se mantengan en una posición rígida, por lo que pueden
moverse. En un gas las moléculas están separadas entre si por distancias grandes en
comparación con el tamaño de las moléculas mismas.
Es posible la conversión entre los tres estados de la materia sin que cambie la composición de
la sustancia, por ejemplo, al calentar un sólido (por ejemplo, hielo) se funde y se transforma
en líquido (agua). La temperatura en la que ocurre esa transformación se denomina punto o
temperatura de fusión, de manera contraria si un líquido pasa al estado sólido se dice que
se solidifica.
ESCALAS DE TEMPERATURA:
Son tres las escalas de temperatura que están en uso actualmente. Sus unidades son °F
(grados Fahrenheit), °C (grados Celsius) y K (Kelvin). La escala de Celsius se divide en el
intervalo entre los puntos de congelación (0°C) y ebullición (100°C) del agua en 100 grados.
En el caso de este trabajo, utilizaremos un termómetro para medir la temperatura de fusión
con una escala de grados Celsius (°C).
ESTRUCTURA CRISTALINA:
Los sólidos se dividen en dos categorías, cristalinos y amorfos. El hielo es un sólido cristalino
que posee un ordenamiento estricto y regular, es decir, sus átomos, moléculas o iones ocupan
posiciones específicas (Ilustración 2). Gracias a la distribución de estas partículas en el sólido
cristalino, las fuerzas netas de atracción intermolecular son máximas. Las fuerzas que
mantienen estabilidad de un cristal pueden ser iónicas, covalentes de van der Waals, puentes
de hidrógeno o una combinación de todos ellos. Un sólido amorfo, como el vidrio carece de un
ordenamiento bien definido y de un orden molecular repetido.
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Ilustración 1. Agua en estado sólido.
Ilustración 2. Representación molecular
de la estructura critalina del agua en
estado sólido.
Los sólidos son más estables cuando están en forma cristalina. Sin embargo si un sólido se
forma con rapidez (por ejemplo, cuando un líquido se enfría muy rápido), sus átomos o
moléculas no tienen tiempo de alinearse por si mismos y pueden quedar fijos en formas
distintas a las de un cristal ordenado, el sólido así formado se llama amorfo. Los sólidos
amorfos, como el vidrio, carecen de una distribución tridimensional regular de átomos.
ALOTROPÍA:
La alotropía es la propiedad de algunos elementos químicos de presentarse, en un mismo
estado físico, en dos o más formas diferentes, cristalinas o amorfas.
Por ejemplo, el grafito y el diamante están formados por átomos de carbono; son sustancias
naturales constituidas por átomos de un mismo elemento, que poseen propiedades diferentes.
El grafito es negro, opaco, blando y se lo utiliza en la fabricación de minas para lápiz,
electrodos y lubricantes. En cambio, el diamante es transparente y tan duro que es usado
para cortar vidrio y en las brocas para perforación petrolera.
Las distintas propiedades del grafito y del diamante se deben al ordenamiento de los átomos
de carbono.
El átomo de carbono, sin embargo, trata siempre de adquirir cuatro electrones más de los que
tiene y, al unirse con este propósito a otros carbonos, existe una manera desordenados
2
(carbono amorfo), ordenada formando hexágonos (grafito) o bien toma la forma de cubos
(diamante) Ilustración 3. También se ha descubierto que puede asumir una estructura globular
idéntica a la de un balón de futbol y de allí el nombre que se le da en este caso: fullereno o
futboleno. Todas estas estructuras tienden a adoptar, con el tiempo, la estructura del grafito,
que es la más estable.
Otros elementos, como el azufre y el fósforo presentan variedades alotrópicas; el primero se
encuentra como azufre prismático y azufre octaédrico y el fósforo lo hace como fósforo blanco
y fósforo rojo.
Se puede decir que alotropía es la propiedad que posee un elemento para dar distintas
propiedades a una misma sustancia.
Ilustración 3. Estructura de dos formas alotrópicas del carbono; a la izquierda el diamante y a la
derecha el grafito.
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CHOCOLATE:
El chocolate es el alimento que se obtiene mezclando azúcar con dos productos derivados de
la manipulación de las semillas del cacao: una materia sólida (la pasta de cacao) y una
materia grasa (la manteca de cacao). A partir de esta combinación básica, se elaboran los
distintos tipos de chocolate, que dependen de la proporción entre estos elementos y de su
mezcla o no con otros productos tales como leche y frutos secos.
De las piñas del cacao, recolectadas en América, Asia o África, se seleccionan los mejores
granos. Después de clasificar y limpiar bien los granos se tuestan con mucho cuidado, aquí es
donde se consigue el aroma característico del cacao. Antes con un rodillo, se iba machacando
el cacao hasta que por el calor, la presión del rodillo y su gran contenido en grasa se convertía
en una pasta a la que se le añadía azúcar y especias -principalmente canela o vainilla- muy
molidas en grandes morteros metálicos y de madera; bien tamizada la mezcla se pasaba a los
moldes de zinc donde una vez batido y enfriado ya quedaba listo para su empapelado, venta y
consumo.
Con la llegada de la electricidad se fueron mecanizando las fábricas instalando molinos de
piedra para triturar el cacao, mezcladoras donde se mezclaba el cacao y el azúcar y rodillos
metálicos donde se prensaba. Actualmente se usan prensadoras modernas que separan el
cacao en polvo y la manteca de cacao. La pasta del cacao se mezcla con el azúcar, manteca
de cacao, leche, almendras, etcétera, según el tipo de chocolate que se quiera obtener. La
mezcla se refina hasta convertirla en una pasta uniforme, para pasar posteriormente al
proceso de conchaje durante varias horas, esto se realiza en unas máquinas llamadas
conchas, se calientan normalmente de 1000Kg a 6000Kg de masa de chocolate a 80ºC.
Durante este proceso se agita y se arrasa el cacao, así consiguen que se evaporen los
aromas no deseados. Durante 6 a 24 horas la masa de chocolate se refina en las conchas.
Después del proceso de templado ya tendríamos el chocolate, sólo faltaría el moldeado, que
sirve para darle forma final, que puede ser muy variada: chocolatinas, tabletas, bombones,
etcétera.
Manteca de cacao:
La manteca de cacao se obtiene de las semillas del árbol del cacao, Theobroma cacao.
Cuando las semillas se tuestan, la pasta resultante, llamada precisamente “pasta de cacao”,
contiene entre el 50% y el 60% de grasa, que tienen un punto de fusión de alrededor de 34ºC.
De esta pasta puede extraerse la grasa por prensado. Aunque desde el punto de vista
cuantitativo la producción de manteca de cacao no es grande, comparada en el contexto
mundial con otras grasas vegetales, desde el punto de vista cualitativo es extremadamente
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importante, al formar parte del cacao y del chocolate, producto alimenticio de alto valor
añadido.
Los ácidos grasos, componentes más importantes de las grasas, son sustancias
químicamente lineales saturadas e insaturadas, con la función carboxilo. Su forma general es
R – COOH.
Químicamente, son ácidos orgánicos de más de seis carbonos de largo. Para los ácidos
grasos, según su cantidad de carbonos en la molécula, cambia el punto de fusión.
La mayoría de los ácidos grasos naturales posee un número par de átomos de carbono, esto
es debido a que son biosintetizados a partir de acetato (CH 3CO2)-, el cual posee dos átomos
de carbono.
A mayor cantidad de carbonos, aumenta su punto de fusión, y viceversa. Así mismo, la
presencia de enlaces dobles reduce el punto de fusión.
En idéntica cantidad de carbonos a temperatura ambiente, los ácidos grasos insaturados son
líquidos, y los saturados son sólidos. Los ácidos grasos saturados sólo tienen enlaces simples
entre los átomos de carbono, es decir no poseen dobles ligaduras; la mayoría son sólidos a
temperatura ambiente. Las grasas de origen animal son generalmente ricas en ácidos grasos
saturados.
Los ácidos grasos saturados tienen la siguiente formula básica
CH3-(CH2)n –COOH.
En la tabla 1 se presentan algunos ejemplos de ácidos grasos saturados.
Tabla 1. Ejemplos de grasos saturados.
Butírico
CH3(CH2)2COOH
Láurico
CH3(CH2)10COOH
Mirístico
CH3(CH2)12COOH
Palmítico
CH3(CH2)14COOH
Esteárico
CH3(CH2)16COOH
Araquídico
CH3(CH2)18COOH
La manteca de cacao tiene una estereoespecificidad muy marcada, con prácticamente todos
los triglicéridos con una estructura saturado – oleico – saturado. El 40% son palmítico – oleico
– esteárico, el 30% esteárico – oleico – estearico, y el 15 % palmítico – oleico – palmítico.
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Esto hace que la manteca de cacao se comporte de forma semejante a una susbstancia pura,
con un “punto de fusión” bien definido, más que un amplio rango de ablandamiento.
Algunas grasas tiene solo una forma estable mientras que otras tienen tres, que son
designadas como α, β y β’ identificadas por criterios de difracción de rayos X. Cuando dos o
más formas dan un mismo patrón de difracción, reciben el mismo nombre pero son
distinguidas con un subíndice en orden de decremento del punto de fusión (β1 y β2). La
manteca de cacao puede cristalizar en seis formas diferentes: γ  α  β2’  β1’  β2
 β1, acomodadas de menor a mayor estabilidad. Mientras la estructura se vuelve más densa
y de menor energía, se vuelve más estable y más difícil de derretir.
Dependiendo de la forma polimorfa, el punto de fusión está entre 17ºC (forma I) y 37ºC (forma
VI). La forma preferida en la fabricación del chocolate es la forma V, con un punto de fusión de
34ºC, suficiente para quedar por encima de la temperatura ambiente pero suficientemente
baja para fundir fácilmente en la boca.
Composición química del chocolate:
Sus componentes fundamentales son el cacao
(Tabla 2) y el azúcar. De acuerdo al tipo y calidad
también se adiciona leche, vainilla, almendras y
otros componentes se adicionan para conferirle
sabor y textura al producto.
Transformación del Cacao:
Tabla 2. Composición química del grano de cacao en%.
Agua
3.2
Grasa (manteca de cacao)
57
Cenizas
4.2
Nitrógeno total
2.5
Teobromina
1.3
Cafeína
0.7
Almidón
9
Los componentes químicos del cacao, se
Fibra cruda
3.2
modifican durante el proceso de maduración,
fermentación y secado; apareciendo el color y
Fibra
18.9
sabor característico del chocolate, que luego será
acentuado de producción de las distintas presentaciones que aparecen en el mercado. (Tabla 3
y 4)
6
Tabla 3. Composición química del grano de cacao luego de su fermentación y secado.
%Humedad
3.0
Mantequilla de cacao
11.0
pH (suspensión al 10%)
5.7
%Cenizas
5.5
%Cenizas solubles en agua
2.2
%Alcalinidad de cenizas en el cacao original, expresado como K2O
0.8
%Fosfato (expresado como P2 O5)
1.9
%Cloro (expresado como NaCl)
0.04
Cenizas insolubles en HCl 50%
0.08
% Cascara (calculo a partir de granos sin cascara no alcalinizados)
1.4
Nitrógeno Total
4.3
%Nitrógeno (corregido por alcaloides)
3.4
%Nitrógeno corregido por alcaloides x6.25
21.2
% Teobromina
2.8
Tabla 4. Composición química de la manteca de cacao.
Glicéridos
%
Trisaturados
2.5 a 3.0
Triinsaturados (Trioleína)
1.0
Di-insaturados
Estearo-dioleína
6 a 12
Palmito-dioleína
7a8
Monoinsaturados
Oleo-diestearina
18 a 22
Oleo-palmitoestearina
52 a 57
Oleo-dipalmitina
4a6
7
Objetivo de la investigación
Someter a diferentes temperaturas de fusión y a diferentes condiciones de enfriamiento
algunas piezas de chocolate y determinar las diferencias o similitudes entre algunas
propiedades físicas como el punto de fisión, color y brillo.
Problema
Últimamente ha crecido la curiosidad y la necesidad de saber acerca de algunos fenómenos
culinarios, como la modificación de algunas propiedades físicas de los alimentos.
El chocolate es tan cotidiano como la televisión y sin embargo, a veces no conocemos la
química asociada a usos y a sus métodos de preparación. El chocolate es un producto natural
cuya elaboración requiere de un proceso largo y minucioso que se inicia en los países de
origen con la fermentación y secado de las semillas.
La limpieza, el tueste, la molienda de las semillas descascarilladas y el templado son otros
pasos necesarios para poder llegar al producto final: un chocolate consistente, sedoso y de
aspecto reluciente. En este trabajo nos enfocamos a explicar el cambio de algunas
propiedades como color y punto de fusión del chocolate dependiendo las características de
templado o manipulación, o simplemente de almacenamiento, ¿por qué el chocolate, al salir
del congelador no tiene las mismas propiedades del que salió de la alacena?, Por ejemplo,
su color, olor o su dureza.
Hipótesis
Si el chocolate se derrite y se enfría a diferentes temperaturas las partículas que lo componen
se acomodan de distinta manera, produciendo diferentes formas cristalinas, por lo tanto, el
color y la temperatura de fusión serán diferentes.
DESARROLLO
Materiales y sustancias
Sustancias y materiales
 Agua
 Hielo
 Chocolate amargo (Carlos V)
 2 baños maria
8






7 vasos de precipitado
2 Fisher (aparato para medir temperatura de fusión)
2 Agitadores de vidrio
3 termómetros (2 de 0 a 100°C y 1 de -5 a 100°C)
Recipiente mediano
2 espátulas
Metodología que se siguió
 A lo largo de la actividad experimental, consulté bibliografía para apoyar mi trabajo y
mis resultados.
 Se tomó la temperatura de fusión de un trozo de la barra de chocolate original, ya que
éste fue nuestro blanco o testigo.
 Utilice dos baños marías a diferentes temperaturas,
para derretir las muestras de chocolate (65 ° C y 40 °
C).
 En 6 vasos de precipitado coloqué pedazos de
chocolate del mismo tamaño y los rotulé.
 Tres de estos vasos se derritieron en el baño maría
de 65°C y tres en el de 40°C en un tiempo
aproximado de 2 a 4 minutos.
 Se enfriaron de diferentes formas según la tabla 5.
Tabla 5. Condiciones de temperatura.
Temperatura a la que se
enfriaron
40 °C
65 °C
Hielo -1 °C
√
√
Ambiente (18 °C)
√
√
Ambiente y agitando
√
√
 Esperé en cada caso a que se solidificaran y
tomé el tiempo.
 Tomé por duplicado los diferentes puntos de
fusión de todas las muestras, obtuve los promedios y
anoté los resultados.
 Además pude percatarme de algunas
propiedades organolépticas como el olor y color.
 Y analicé los datos para generar este trabajo.
9
RESULTADOS
En la tabla 6 se detallan las observaciones al color de cada muestra.
Tabla 6. Resultados del color de las muestras, comparándolo con el blanco o testigo.
Blanco o testigo
Temperatura a la que
se enfriaron
Café oscuro con brillo
Temperatura a la que se
derritieron
40 °C
65 °C
Hielo -1 °C
Café obscuro,
brillante
Café obscuro,
brillante
Ambiente (18 °C)
Café obscuro,
poco brillante
Café obscuro,
poco brillante
Ambiente y agitando
Café claro, sin
brillo
Café claro, sin
brillo
En la tabla 7 aparecen los datos promedio de las medidas de la temperatura de fusión de
cada muestra.
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Tabla 7. Resultados del promedio de la temperatura de fusión de cada muestra.
Blanco o testigo
24°C
Temperatura a la que se enfriaron
(°C)
Temperatura a la
que se
derritieron
40 °C
65 °C
Hielo -1 °C
19
31
Ambiente (18 °C)
30
29
Ambiente y agitando
21
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ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
Sobre el color, pude apreciar que sí hay diferencias significativas con respecto al testigo, ya
que las muestras que se enfriaron con agitación tomaron un color opaco y más claro, sobre
todo en la superficie; como se ha mencionado en el marco teórico, el diferente acomodo de
las partículas que componen la muestra da como resultado cambios en las propiedades. En
este caso considero que al agitar, introducimos aire, entre partícula y partícula que influye en
la distribución de las mismas y por lo tanto la apariencia cambia, aunado a que el enfriamiento
se hace más aprisa dado el aire que se inyecta al agitar.
Se puede observar de acuerdo a los resultados
que la temperatura de fusión del chocolate
original cambio en todos los casos, así el
análisis lo haré comparando los resultados con
el testigo; por ejemplo, de las pruebas que se
agitaron, en ambos casos (40 °C y 65 °C)
tuvieron un menor punto de fusión. En las que
se dejaron enfriar a temperatura ambiente su
punto de fusión fue mayor, además que son
muy parecidos ya que su variación es de solo
1°C. Sin embargo, las que se enfriaron con
11
hielo tuvieron un comportamiento no congruente, la primera que se derritió a 40°C fue menor
su punto de fusión que la de 65°C.
Partiendo del marco teórico, los materiales que presentan
un mayor punto de fusión como los cristales, se debe a
que para romper los enlaces que rodean a un átomo, se
requiere de suministrar una mayor cantidad de energía
para fundir, es decir si la muestra se enfría lentamente
como lo hicieron las muestras a temperatura ambiente y
sin agitación, se formaron redes cristalinas con un
ordenamiento casi podría decir como los que hay en un
diamante en donde un carbono esta rodeado por cuatro
átomos más o el cloruro de sodio que cada átomo esta
rodeado por seis átomos y su punto de fusión es de 800
°C, tal como se aprecia en la ilustración 4.
Ilustración 4. Cristal de cloruro de sodio.
En el caso de las muestras que se enfriaron y se agitaron la formación de una red cristalina
fue menor dado que se enfría muy rápido o con la agitación las partículas se acomodaron
desordenadamente por tanto es posible que entre los átomos haya pocos enlaces entre ellos
por tanto se tenga que suministrar poca energía.
En el caso de las muestras que se enfriaron con hielo y que no se comportaron como las
muestras enfriadas con agitación y a temperatura ambiente puedo decir que las que se
derritieron a 65 °C tuvieron más tiempo sus partículas de organizarse mejor por la diferencia
de temperatura de 0 °C a 65 °C, su comportamiento fue más cercano a un cristal.
No hay que olvidar que el chocolate esta formado por una gran cantidad de manteca de cacao
que puede cristalizar en seis formas diferentes que dependen de las condiciones de
solidificación y que influye en el valor de la temperatura de fusión.
El siguiente análisis lo haré comparando el testigo pero ahora entre las dos temperaturas a las
que se derritieron. Las muestras que se derritieron a 40 °C presentan una mayor temperatura
de fusión, es decir se comportaron como un cristal, aunque como lo mencioné anteriormente
en el caso de la muestra que se enfrió a temperatura ambiente solo hay una diferencia de un
grado centígrado. Sin embargo al revisar todos los datos y compararlos entre ello, no hay una
tendencia muy marcada entre decir que conviene más calentar hasta 40 °C o hasta 65 °C, sin
embargo si me atrevo a decir de acuerdo a mis resultados que si hay una diferencia
importante entre dejar solidificar una muestra lentamente hasta alcanzar la temperatura
ambiente que enfriarla drásticamente o con agitación.
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Relacionando la temperatura de fusión con el color, se aprecia que las muestras en donde se
agitó, el color se modificó mucho con respecto al testigo, y a las otras muestras, pienso que
puede deberse a que se introdujo aire entre las partículas del chocolate que impidieron un
arreglo más ordenado y su punto de fusión disminuyó, además de que se genera fricción al
agitar las muestras.
CONCLUSIONES
Si influye en las propiedades de un material la manera en la que se enfrían o se solidifica ya
que dependerá de cómo se vayan acomodando las partículas, cuando éstas son más
ordenadas como un cristal, por ejemplo el diamante, la temperatura de fusión aumenta, ya
que se requiere de una mayor cantidad de energía para impactar en los enlaces que hay entre
partículas.
De la misma manera, el color se modifica según ese arreglo de las partículas.
Con este trabajo se hace una analogía de aquellas sustancias que tienen la característica de
presentarse como alótropos, sustancias iguales con propiedades diferentes debido al orden o
desorden de sus partículas o átomos.
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FUENTES DE INFORMACIÓN:
Chang, R. Química. Ed. McGrawHill, 10 ma edición, 2010.
Bosch, P. El Carbono Cuentos Orientales, Edit. Fondo de cultura económica, 3ra edición 2002.
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Teófilo Alarcón, fecha de consulta abril 14, 2012, fecha de ultima actualización Mayo 20,
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Lic. Marcela Licata, fecha de consulta marzo 14, 2012, fecha de ultima actualización 2012,
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